Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках выполнения первого этапа работ проведены подробные исследования влияния режимов спекания на параметры структуры и физико-механические свойства керамик на основе оксида алюминия. Проведено исследование влияния скорости нагрева и длительности изотермической выдержки. Проведены исследованы режимов одностадийного и двухстадийного электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС). В качестве объектов исследования были использованы ультрадисперсные порошки оксида алюминия c содержанием альфа-фазы более 98% - коммерчески доступный мелкозернистый (d ~ 1 мкм) порошок, субмикронный (d ~ 0,2 мкм) порошок, синтезированном исполнителями проекта, а также композиционные смеси на их основе. Проведены исследования влияния способов внесения спекающих добавок (смеси оксидов марганца и титана) на структуру керамик и однородность распределения свойств. Добавки MnTiO3 вносились методом перемешивания и осаждения. Проведен патентный обзор показавший, что введение добавки MnTiO3 обеспечивает существенное снижение температуры спекания. Патенты, описывающие применение метода электроимпульсного плазменного спекания для получения рассматриваемых керамик, не встречаются. Дополнительно проведено исследование влияния спекающих добавок LiCl и LiF, имеющих более низкие температуры плавления по сравнению с MnTiO3. Проведен анализ индекса Майера керамик, полученных с использованием спекающих добавок. Показано, что наибольшей прочностью из представленных керамик обладает керамика, содержащая MnTiO3. Проведены исследования влияния упрочняющих частиц. Проведены исследования кинетики спекания и физико-механических свойств систем, содержащих 0,5%, 1,5%, 5% и 10% ZrO2. Проведена оценка энергии активации спекания систем Al2O3 / ZrO2. Спекание керамик проводилось в широком интервале скоростей нагрева (от 10 до 700 °С/мин) при величине приложенного давления 70 МПа. Определены условия достижения высоких физико-механических свойств высокоплотных керамик на основе оксида алюминия при ЭИПС. Проведено исследование влияния добавки Y2O3 на прочность границ зерен Al2O3 / ZrO2. Показано, что кинетические кривые усадки дисперсно-упрочненных керамик на основе оксида алюминия имеют вид, характерный для случая твердофазного спекания, что позволяет предположить, что процессы, происходящие при ЭИПС могут быть описаны в виде последовательности процессов начальной (I), промежуточной (II) и финальной (III) стадий спекания. Для описания кинетики спекания порошков на начальных стадиях спекания (стадия I) была использована модель Джонсона (Янга-Катлера). Найденные значения энергии активации спекания сопоставимы с значением энергии зернограничной диффузии в оксиде алюминия (Qb ≈ 20 kTm). Увеличение содержания оксида циркония до 10% приводит к повышению энергии активации на стадии I до Qb ≈ 30 kTm. Процесс интенсивного уплотнения на стадии II был описан как процесс пластической деформации сплошного пористого материала. Энергия активации была рассчитана из экспериментально определенной скорости деформации (скорости усадки). Значения энергии активации на стадии II близки к энергии активации зернограничной диффузии оксида алюминия и составляют Qb ~ 20 kTm. Высокое значение скорости деформации (~10-3 с-1) и значение энергии активации процесса деформации, соответствующее энергии активации зернограничной диффузии, косвенно свидетельствуют о том, что интенсивное уплотнение на второй стадии спекания идет по механизму зернограничного проскальзывания. Энергия активации процесса усадки на стадии II практически не зависит от наличия дисперсных частиц. Проведенный в рамках выполнения первого этапа работ литературный обзор показал отсутствие однозначной зависимости баллистических характеристик керамик от их структуры и механических свойств. Установлено, что сложность построения такой зависимости связана с наличием дефектов структуры (областей неполного спекания, микротрещин), не включенных в анализ при построении зависимостей. Результаты подробных исследований влияния параметров структуры спеченных керамик на динамические свойства будут представлены на следующем этапе работы. Методом конечных элементов проведено компьютерное моделирование процессов разрушения керамик при динамическом нагружении. Использовался модуль AUTODYN коммерческого пакета ANSYS WORKBEMNCH. При проведении дискретизации задачи для области ударника и керамической преграды использовался метод гидродинамических сглаженных частиц, для области алюминиевой подложки применялся метод конечных элементов. При проведении численного анализа для описания материалов бронебойной пули и алюминиевой подложки использовалась модель деформирования и разрушения Джонсона-Кука в комбинации с уравнением состояния в виде линейной ударной адиабаты Мю-Грюнайзера. В качестве материала керамической преграды был рассмотрен оксид алюминия, описываемый моделью Джонсона-Холмквиста. Определен характер разрушения керамического элемента в зависимости от его геометрической формы: проведено исследование влияние количества углов в плоском сечении керамической пластины, нормальном к оси подлета ударника (пластина квадратного и шестиугольного сечения); проведено исследование возможности применения новых форм керамических пластин в виде составных элементов, торцевые грани которых имеют угол 15°, 30° и 45°; проведено влияния геометрии торцевой грани (скос/ступенька) и качества сборки (зазор 100, 150, 200, 400 мкм) на сопротивление керамической пластинки внедрению ударника; исследование влияния толщины пластины (7 и 6,5 мм). Проведены баллистические испытания образцов новой керамики. Показано, что использование подходов, разработанных в рамках выполнения проекта, позволяет снизить вес керамики на 17,5% с сохранением класса защиты.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. В рамках выполнения второго этапа работ получены композиционные керамики, упрочненные («армированные») керамическими волокнами. Показано, что метод ЭИПС позволяет получать композиты, содержащие керамические волокна SiCw, с высокой относительной плотностью (98-99%). Определены оптимальные концентрации и способы внесения углеродных нанотрубок и волокон карбида кремния, обеспечивающие получение керамик и высокой относительной плотностью, высокой прочностью, твердостью и баллистической стойкостью. 2. Проведены подробные исследования влияния параметров структуры спеченных керамик на динамические свойства, получены зависимости характеристик баллистической стойкости от величины размера зерна (при фиксированной относительной плотности, равной 99,9%), от величины плотности (при фиксированном размере зерна, равном 5-7 мкм), от величины твердости (при фиксированной относительной плотности, равной 99,9%). Показано, что повышение относительной плотности керамики с 90 до 99,8% приводит к повышению доли энергии ударника, затрачиваемой на взаимодействие с керамикой с 0,6 до 0,8. Показано, для керамик с мономодальным распределением зерен существует оптимальный размер зерен (в нашем случае близкий к 10 мкм), отвечающий высокому значению динамического предела прочности и высокой способности керамики поглощать энергию ударника. 3. Проведена разработка теоретически обоснованных подходов к формированию требуемой структуры керамик для управления процессами, связанными с организацией управляемого разрушения керамического элемента при динамическом нагружении. Разработаны две группы подходов. Первая группа подходов, опирающаяся на теорию неравновесных границ зерен, в качестве базового элемента использует понятие относительного свободного объема границ зерен: область границ зерен в силу меньшей упорядоченности атомов обладает некоторым повышенным свободным объемом по сравнению с идеальной кристаллической решеткой. Величина относительного свободного объема определяет величину свободной энергии границ. Энергия, необходимая для разрушения кристаллического тела и создания двух свободных поверхностей (берегов трещины) определяется разностью поверхностной энергии и свободной энергии границ. Чем меньше свободная энергия границ, тем большая энергия необходима для разрушения твердого тела. Таким образом, основная идея первой группы подходов заключается во введении примесей, снижающих величину и анизотропию свободной энергии границ. Вторая группа подходов, опирающаяся на механику разрушения, в качестве базового элемента использует понятие локального напряжения в устье трещины. Формирование бимодальной структуры или введение частиц второй фазы приводит к снижению локального напряжения и повышению прочности материала. 4. Получено и исследовано три типа функционально-градиентных керамик. Получено и исследовано три типа керамик, обеспечивающих управляемое разрушение при динамическом нагружении. Показано, что наиболее перспективным подходом к формированию структуры, обеспечивающей управляемое разрушение при динамическом нагружении является комбинация методов внесения упрочняющей добавки Y2O3 и создания (оптимизации) бимодальной структуры. 5. Проведено компьютерное моделирование условий организации управляемого разрушения керамик.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения третьего этапа работ проведена оптимизация микроструктуры керамик на основе оксида алюминия. Апробировано две группы подходов к формированию бимодальной структуры: первая группа - смешение порошков Al2O3 с различным размером зерна; вторая группа – смешение порошков Al2O3 с порошками-модификаторами (MgO, Cr2O3)). Получены керамики с различным соотношением размеров крупных частиц и частиц основной матрицы материала. Проведена аттестация физико-механических свойств и параметров микроструктуры исследованных керамик. Показано, что динамический предел прочности керамики с бимодальной структурой (в которой доля крупных частиц составляет 10%) на 30% превосходит динамический предел прочности керамики с однородной структурой. Проведено исследование свойств материалов подложек (алюминиевые сплавы, СВМП, оргстекло), а также свойств материалов ударников (стальной сердечник пули 7,62х39 мм и твердосплавный сердечник пули 5,45х39 мм). Уточнены данные параметров численной модели, описывающей поведение керамики (в составе композиционного защитного элемента) при динамическом нагружении. Изготовлены керамические композиционные защитные элементы. Проведены натурные испытания. Показано, что разработанный композиционный броневой элемент, обладая стандартным весом, выдерживает попадание пули с твердосплавным сердечником.